第五章高频功率放大器PPT课件

1、学习目标：1. 掌握高频功率放大器的工作原理掌握高频功率放大器的工作原理2. 掌握高频功率放大器的折线近似分析法掌握高频功率放大器的折线近似分析法3. 熟悉高频功率放大器的电路组成原则熟悉高频功率放大器的电路组成原则4. 掌握功率合成器的工作原理掌握功率合成器的工作原理5. 了解倍频器的工作原理了解倍频器的工作原理第1页/共56页本章重点：1. 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2. 高频功率放大器的动态特性和负载特性高频功率放大器的动态特性和负载特性3. 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成4. 功率合成器的工作原理功率合成器的工作原理本章难点：1. 高频功率放大器

2、的动态特性和负载特性的分析高频功率放大器的动态特性和负载特性的分析2. 功率合成器的工作原理功率合成器的工作原理第2页/共56页6.1 概述第3页/共56页A（甲甲）类类：导导通通角角为为o180 AB（甲甲乙乙）类类：导导通通角角为为 o90 B（ 乙乙）类类：导导通通 角角为为o90 C（丙丙）类类：导导通通角角为为o90 按工作状态分：按工作频率分：低频功率放大器高频功率放大器 甲类放大器适用于小信号低功率放大；乙类和丙类适用于大功率放大；甲乙类放大器当小信号时工作在甲类，当大信号时工作在乙类。第4页/共56页高频功放分类：高频功放分类：1）窄带型：以谐振回路作为负载，选频范围）窄带型：

3、以谐振回路作为负载，选频范围 很窄。主要用于放大等幅信号，很窄。主要用于放大等幅信号，例如载波信号、调频信号；例如载波信号、调频信号； 2）宽带型：采用工作频带很宽的传输线变压）宽带型：采用工作频带很宽的传输线变压器或者其他宽带匹配网络作为负器或者其他宽带匹配网络作为负载。主要用于实现功率合成。载。主要用于实现功率合成。高频功放特点：1)放大高频大信号； 2)工作在丙类状态会伴随严重的失真问题; 3)重点解决失真与效率问题； 4)采用谐振负载解决失真。第5页/共56页 放大器处于非线性工作状态，高频小信号谐振放大器的一套线性模型在这里已完全不能用，只能用图解法或折线近似分析法来分析功率放大器。

4、技术指标： 功率与效率分析方法：分析方法分析方法优点优点缺点缺点图解法图解法利用电子器件的特性曲线来利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算对它的工作状态进行计算从客观实际出发，从客观实际出发，计算结果比较准确计算结果比较准确对工作状态的对工作状态的分析不方便，分析不方便，手续较复杂手续较复杂折线近折线近似分析似分析法法将电子器件的特征曲线用折将电子器件的特征曲线用折线段来表示，然后对放大器线段来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计算的工作状态进行分析计算物理概念清楚，分物理概念清楚，分析工作状态方便析工作状态方便计算准确度较计算准确度较低低第6页/共56页与低频功放的比较：高选频网络

5、丙类窄 百分之零点几到百分之几高（一个工作中心频率 ） 高频功放低无调谐负载甲类、甲乙类、推挽乙类宽 低（20Hz-30KHz） 低频功放效率负载工作状态相对带宽 工作频率 maxmin/1000ff0f0/ ff共同点：输出功率大、效率高不同点：第7页/共56页与高频小信号调谐放大器比较：放大放大对象对象谐振网络的作用谐振网络的作用工作工作状态状态分析方分析方法法质量指标质量指标高频功高频功率放大率放大器器高频高频大信大信号号从失真的集电极电流从失真的集电极电流脉冲中选出基波、滤脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到不除谐波，从而得到不失真的信号输出失真的信号输出丙类丙类图解法图解法或者解或者解

6、析近似析近似分析法分析法功率和效率功率和效率高频小高频小信号放信号放大器大器高频高频小信小信号号抑制干扰信号抑制干扰信号甲类甲类线性等线性等效电路效电路增益、通频带、增益、通频带、选择性、稳定选择性、稳定性和噪声系数性和噪声系数共同点：放大的都是高频信号，且负载均为谐振网络不同点：第8页/共56页6.2 高频功率放大器的工作原理第9页/共56页 晶体管的工作情况与频率有极其密切的关系，把其工作频率范围划分为三个区域：低频区：中频区：高频区：ff5 . 0Tfff2 . 05 . 0TTfff2 . 0ffT中频区要考虑晶体管各个结电容的作用高频区需进一步考虑引线电感的作用分析和计算相当困难。低

7、频区可以不考虑其等效电路中的电抗分量等影响，可以用与分析电子管高频功率放大器类似的方法来分析。第10页/共56页除除电电源源和和偏偏置置电电路路外外，主主要要由由三三个个部部分分组组成成：晶晶体体管管：输输入入激激励励电电路路：提提供供所所需需信信号号电电压压；输输出出谐谐振振回回路路：（1）滤滤波波选选频频，(2)阻阻抗抗匹匹配配。 大功率晶体管，能承受高电压，大电流。第11页/共56页1.功率放大器的作用原理： 利用输入到基级的信号，来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出出去。假设：P= =直流电源供给的直流功率 Po= =交流输出信号功率 Pc= =集电极耗散

8、功率 则，由能量守恒定律可得：P= =Po+ +Pc为了说明放大器的转换能力，采用集电极效率c ，其定义为：cooocPPPPP两点结论： 1）降低Pc则c提高， P=一定时， Po增大 2）若Pc不超过规定值，则c提高，将使Po大为增加， P=也相应提高。cccoPP)1(工作原理分析第12页/共56页常常数数 cevBEccVig VBEic-VBBVBZVbCCicCCiC设设输输入入信信号号电电压压:tVVbmbcosVbm则则加加到到晶晶体体管管基基 极极 ,发发射射级级的的有有效效电电压压为为:tVVVVVbmBBBBbBEcos由由晶晶体体管管的的转转移移特特性性曲曲线线可可以以

9、看看出出：当当BZBEVV ，0ic 当当BZBEVV ，BZBEccVVgi式式中中cg为为：gC折折线线的的斜斜率率有有 BZbmBBccVtcosVVgi +VBE _2.集电极电流ic第13页/共56页iC+VBE _BZbmBBccVtVVgicos由由于于当当ct 时时，0ic BZBBcbmVVVcos cbmccbmbmcBZBBbmcccostcosVgcosVtcosVg)VV(tcosVgi 又又当当0t 时时， cbmcmaxccos1Vgi VBEic-VBB-VBZVbCCicCCVbmgCicmaxcmaxcbmccos1iVg 代代入入ci有有：ccmaxccc

10、os1costcosii 尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的数数学学表表达达式式2.集电极电流ic第14页/共56页ccmaxcccos1costcosii 若若对对ci分分解解为为付付里里叶叶级级数数为为： ntItItIIicmncmcmcccos2coscos210其中各系数分别为：其中各系数分别为：ccccccccciitdiI0maxmax0cos1cossin)(21cccccmccccmiiittdiIcc1maxmax1)cos1cos1()(cos21 cnccccccccccmninnnnittdniIccmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21式式中中

11、：(1) c 0， c 1， cn 称称为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的分分解解系系数数。一一般般可可以以根根据据c 的的数数值值查查表表求求出出各各分分解解系系数数的的值值。(2)0cI，1cmI，2cmI，cmnI为为直直流流及及基基波波和和各各次次谐谐波波的的振振幅幅。iCiC1iC2ICO2.集电极电流ic第15页/共56页例题：试求高频功率放大器的基本电路中并联谐振回路各次谐波与基频的阻抗值之比。已知回路Q10，回路谐振于基频。解：并联谐振回路的谐振阻抗为：LQpRZpp2)(对于谐波n的阻抗为：)1(1)()(2CnLnjRCjnLjnRpZnp)() 1()1()1()1(1)(

12、2222pnpZnQnjQCnLnCnLQnpjCnLnCnLnjpCnLnjCjnLjnpZ可知，回路对高次谐波呈电容性阻抗。且各次谐波的阻抗与基频阻抗之比很小，可认为是短路的。iC+VBE _，所以上式可化简为：，同时，故由于1110/2LCRLnRLQ第16页/共56页结论：结论： iC呈脉冲状，且包含很多谐波，失真很大。呈脉冲状，且包含很多谐波，失真很大。 集电极电路内采用并联谐振回路，如使其谐振集电极电路内采用并联谐振回路，如使其谐振于基频，那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻于基频，那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻抗，而对谐波的阻抗则很小，可视为短路。抗，而对谐波的阻抗则很小，可视为短

13、路。 并联谐振回路由于并联谐振回路由于iC所产生的电压降所产生的电压降vC也几乎只也几乎只包含基频。包含基频。 能得到正弦波形的输出。能得到正弦波形的输出。第17页/共56页3.集电极输出电压故故回回路路输输出出的的基基波波电电压压：tVtRIRiVcmpcmpcccoscos1111iC+VBE _第18页/共56页4.集电极电压、电流和基级电压的波形tVVVcmCCCEcos1tVVVbmBBBEcos晶体管集电极电压： 晶体管基级电压： 晶体管集电极的电流： ccmaxcccos1costcosii iC+VBE _第19页/共56页第20页/共56页(1) 集集电电极极电电源源提提供供

14、的的直直流流功功率率：0CCCIVP (2) 集集 电电 极极 输输 出出 交交 流流 功功 率率 （ 负负 载载 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）P1Cm2P1Cm21Cm1Cm0R2VRI21IV21P （注注意意PR为为回回路路谐谐振振阻阻抗抗）(3) 集集电电极极耗耗散散功功率率cP，ocPPP (4) 集集电电极极能能量量转转换换效效率率c ： c1COCC1Cm1Cmcooocg21IVIV21PPPPP 1 0 01 2 3 01n, 00.20.30.40.10.520o 40o60o 80o 100o120o140o160o180o第21页/共56页讨讨论论：(2) C

15、O1Cmc1IIg ，一一般般有有： cc1cg 当晶体管允许的耗散功率一定时， Poc (3)Pc1PoPcPoPoccc c1COCC1Cm1Cmcooocg21IVIV21PPPPP CC1CmVV CO1Cmc1IIg )()(01cc第22页/共56页6.3 晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 集电极余弦电流脉冲的分解 高频功率放大器的动态特性 高频功率放大器的负载特性 各极电压对工作状态的影响第23页/共56页晶体管特性曲线的理想化 及其解析式 1、折线法 所谓折线法，是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管特性曲线后进行分析和计算的

16、方法。 实质：用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。 2、工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。 关键在于求出电流的直流分量和基频分量。第24页/共56页 3、晶体管静态特性曲线折线化 两种曲线：输出特性曲线、转移特性曲线。输出特性曲线：基极电流（电压）恒定，集电极电流与集电极电压的关系曲线。转移特性曲线：集电极电压恒定，集电极电流与基极电压的关系曲线。第25页/共56页4、折线分析法的主要步骤：测出晶体管的输出特性曲线与转移特性曲线，并将这两组曲线作理想化折线处理作出动态特性曲线根据激励电压的大小在已知理想特性曲线上作出对应电流脉冲iC和输出电压vC

17、的波形求出iC的各次谐波分量，结合给定的负载谐振阻抗的大小，求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。第26页/共56页5、晶体管特性曲线的理想化及其解析式CcrCig v()CcBBZig vV第27页/共56页集电极余弦电流脉冲的分解 1、余弦电流脉冲的表达式 2、余弦电流脉冲的分解系数第28页/共56页高频功率放大器的动态特性 1、动态特性和静态特性1）晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。例如vC不变，iCvB的关系曲线就是静态特性曲线转移特性曲线。2）动态特性：如果集电极电路有负载阻抗，则当改变vB使iC变化时，由于负载上有电压降，就必然引起vC

18、的变化。即在考虑了负载的反作用后，所获得的vC、vB与iC的关系曲线就是动态特性曲线。最常用的是当vC、vB同时变化时， iCvC关系的动态特性曲线。第29页/共56页 2、当晶体管静态特性曲线理想化为折线而且放大器工作于负载回路谐振状态（即负载为纯电阻性）时，动态特性曲线也是一条直线。cosBBBbmvVVt cosCCCcmvVVt证明：放大器负载谐振时外部电路关系为整理可得：CCCBBBbmcmVvvVVV 将其代入内部关系式()ccBBZig vViC+VBE _第30页/共56页0()()()()ccBBZCCCcBBbmBZcmbmbmCCBZcmBBcmcCcmbmdCig vV

19、VvgVVVVVV VV VV VgvVVgvV bmcmBBcmBZCCbVVVVVVVV0其中：bmdccmVggV 表示斜率（放大器相当于一个负电阻/一个交流电能发生器，输出电能至负载）表示截距第31页/共56页vcic画画 法法 一一 ：VoABO画画 法法 二二 ：VCCQVcmc vcmingd在静态特征曲线的vc轴上取B点，使OB=V0，由B点作斜率为gd的直线BA，即得动态特征曲线。 3、动态特性曲线动态特性曲线的画法：取Q（t=900 ，vc=VCC，vb=VBB ）、A（t=00 ，vc=VCCVcm，vb=VBB Vbm）两点，连成直线vBmax=-VBB+Vbm第32页

20、/共56页4.同理，可求出iC-vB平面内的动态特性曲线。在实际工作中，晶体管工作于放大区和截止区时，iC几乎不受集电极电压变化的影响，因而在iC-vB平面上的动态特性曲线几乎和静态特性曲线重合。因此在iC-vB平面上可以用静态特性来表示动态特性。第33页/共56页vcicVoABOVCCQVcmc vcmingdvBmax=-VBB+Vbm5、关于动态特性曲线的几点讨论1）动态特性曲线是直线还是直线段？）动态特性曲线是直线还是直线段？答：直线段答：直线段2）随着集电极电压的变化，集电极电）随着集电极电压的变化，集电极电流如何变？流如何变？答：随着集电极电压的减小，集电极答：随着集电极电压的减

21、小，集电极电流增大。电流增大。3）A点的横坐标和纵坐标分别对应着点的横坐标和纵坐标分别对应着什么？什么？答：横坐标对应着集电极电压的最小答：横坐标对应着集电极电压的最小值，纵坐标对应着集电极电流的最值，纵坐标对应着集电极电流的最大值。大值。4）Q点和A点横坐标的差代表什么？答：交流输出电压的振幅。5）随着动态特性曲线斜率的变化，集电极电流的最大值和集电极电压的最小值以及交流输出电压的振幅将发生什么样的变化？答：|gd|动态特性曲线远离横轴，iCmax，vCmin，Vcm。第34页/共56页6、对应于不同负载阻抗值Rp的动态特性曲线动态特性曲线的斜率和Rp 有关，Rp越大，Vcm越大，则 越小，

22、故放大器的工作状态会随着Rp的变化而变化。bmdccmVggV Rp和斜率、iCmax、Vcm、vcmin以及晶体管工作状态的关系。第35页/共56页1定义2特性 n高频功率放大器的负载特性 指 VB B、 Vb m和 VCC一定，放大器性能随Rp的变化特性。 Rp 的增加势必将引起 Vcm 增大( (Vcm = RpIcm)Rp Vcm vCEmin iCmax ICm1和 IC0 功放欠压 过压 iC 波形出现凹陷。第36页/共56页Rp欠压区过压区临界区Icm1IcoVcm据此可以画出 Ic0 和 Icm1 和Vcm随 Rp 变化的特性。 第37页/共56页3 Po、P=、PC、 C 随

23、 Rp 变化的曲线 Vcm = RpIcm1 ， Po = VcmIcm1/2 P = VCCIC0 ， PC = PPo C = Po/ PPoRp欠压区过压区临界区c P=PcRp欠压区过压区临界区Icm1IcoVcm第38页/共56页4讨论( (1) ) 欠压区p2cm1RIRp ，iC 脉冲高度略有减小，相应的 IC0、Ic1m 也略有减小，因而 Vcm( (= RpIcm1) )和 Po( ( ) )近似线性增大，而 P=( (= VCCIC0略有减小， C 增大，PC 减小。( (2) )过压区Rp ，电流脉冲高度迅速减小，凹陷加深，相应的 IC0、Ic1m 迅速减小，结果使 Vc

24、m 略有增加，Po、P= 减小，且 Po 比 P=减小的慢，从而 C 略有增加，PC 略有减小。Rp欠压区过压区临界区Icm1IcoVcmPoRp欠压区过压区临界区c P=Pc第39页/共56页5.结论：结论：1)、欠压时、欠压时Icm1几乎不变，过压时几乎不变，过压时Vcm几乎不变。因而可以把欠压状态的放大器当几乎不变。因而可以把欠压状态的放大器当作一个恒流源，把过压状态的放大器当作一个恒压源。作一个恒流源，把过压状态的放大器当作一个恒压源。2)、三种工作状态的优缺点：、三种工作状态的优缺点：临界状态优点：输出功率最大，效率较高，是最佳工作状态。主要用于发射机末临界状态优点：输出功率最大，效

25、率较高，是最佳工作状态。主要用于发射机末级。级。过压状态优点：过压状态优点：Rp变化时，输出电压比较平稳，弱过压时，效率最高。但输出变化时，输出电压比较平稳，弱过压时，效率最高。但输出功率有所下降。常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，发功率有所下降。常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，发射机的中间放大级。射机的中间放大级。欠压状态优点：输出功率和效率都很低，而且集电极耗损功率大，一般很少采用。欠压状态优点：输出功率和效率都很低，而且集电极耗损功率大，一般很少采用。Rp欠压区过压区临界区Icm1IcoVcmPoRp欠压区过压区临界区c P=Pc第40页/共56页各极电压对工作状态的影响1.V

26、CC对工作状态的影响 Rp、VBB、Vbm保持不变，当VCC发生变化时，对晶体管工作状态的影响。 因为Rp、VBB、Vbm保持不变，所以动态特性曲线的斜率保持不变，vBmax保持不变。 VCC变化时，Q点的位置产生变化，对晶体管的工作状态产生影响。 假如晶体管工作在临界状态，VCC变大时，动态特性曲线右移，晶体管由临界状态变为欠压状态， iCmax基本不变稍有增大；变小时，左移，变为过压状态，iCmax迅速减小。Q1Q2QvCiCvBmax=-vBB+vbmVCCVCC1VCC2第41页/共56页 过压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲的高度迅速降低，凹陷加深，因而 IC0、Icm1、Vc

27、m 将迅速减小。 VCC对工作状态的影响 欠压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲高度略有减小，因而 IC0 和 Icm1 也将略有减小，Vcm( (= RpIcm1) )也略有减小。 故，集电极调幅应工作在过压状态。第42页/共56页2.VBB或Vbm对工作状态的影响 Rp、 Vbm 、VCC保持不变，当VBB 发生变化时，对晶体管工作状态的影响。 因为Rp、 Vbm 、VCC保持不变，所以动态特性曲线暂时不会发生变化。 若晶体管工作在临界状态， -VBB或vBmax变大，所对应的iCvC静态特性曲线上移，晶体管由临界状态变为过压状态，iCmax稍微变大； 当变小时，下移，变为欠压状态，i

28、Cmax迅速下降。QvCiCvBmax=-vBB+vbmVCCvBmax2=-vBB2+vbmvBmax1=-vBB1+vbm第43页/共56页故，基极调幅应工作在欠压状态。 过压状态：随 Vbm 变大，IC0 和 Icm1、Vcm 均增加缓慢，可认为近似不变。 欠压状态：随 Vbm 变大，集电极电流脉冲高度变化显著，从而IC0 和 Icm1、Vcm增加幅度大。-VBB或Vbm对工作状态的影响-VBB或Vbm-VBB或Vbm增大第44页/共56页6.5 高频功率放大器的电路组成 1.馈电方式的分类 2.馈电线路的组成三原则 3.集电极馈电 4.基级馈电 要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入

29、和输出端还需接有：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。第45页/共56页并联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管三者形成并联连接的方式。 串联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体 管三者形成串联连接的方式。 1.馈电方式的分类根据直流电源连接方式的不同，可分为： 第46页/共56页集电极电流的直流分量IC0是能量的来源，除了晶体管的内阻外，应予以短路， 以保证VCC全部加在集电极上，避免管外电路消耗电源功率，即 P= = = IC0 VCC集电极电流的基波分量Icm1通过负载回路，以产生所需的高频输出功率，只应在负载回路上产生电压降，其余部分电路都应

30、短路。 集电极电流的的高次谐波分量Icmn不应消耗功率，因此对晶体管外的电路应尽可能短路。 IcoVCCIcm1CLIcmn2.馈电线路的组成三原则第47页/共56页LCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VT以上两个电路匀满足：以上两个电路匀满足： tVVvcmCCccos1 ICO直流通路ICOVCCLCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICm1交流通路Icm1LCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICmn交流通路ICmnLCCCCC1VCCLCvcm1VTLCCCVCCLCVcm1VT3.集电极馈电常用的集电极串馈和并馈电

31、路如下图所示： LC： 高频扼流圈：通直流阻交流CC：高频旁路电容：通交流隔直流CC1：隔直电容：通交流隔直流 第48页/共56页CBLBLBLBCERbReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTVBBVBB4 基极馈电对对基基级级馈馈电电线线路路来来说说，也也有有串串联联和和并并联联两两种种形形式式。在在实实际际应应用用中中，由由于于基基极极馈馈电电电电路路中中采采用用单单独独电电源源BBV不不方方便便，通通常常采采用用自自给给偏偏压压的的方方式式提提供供基基极极偏偏置置。 IBOVBBIBOIEO +VBB -以以上上基基极极自自给给偏偏压压电电路路中中，前前两两个个为为并并馈馈线线路路，后后一一种种为为串串馈馈线线路路。 (3) 利用射极电流的直流分量EOI在eR上产生偏压eEOBBRIV，而且此电路能自动维持放大器的工作稳定。 第49页/共56页功 率放大器输入匹配网络输出匹配网络RLRSv